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§ 2016年7月5日 Juno木星軌道投入

日本時間 2016年7月5日午前11時30分(午前2時30分 UTC)、NASAの木星探査機Junoが木星の軌道に入ります。例のごとくJunoの現在位置を見られるサイトを作りました。

Juno Jupiter Orbit Insertion Simulation
http://www.lizard-tail.com/isana/orb/misc/juno_spacecraft/

Juno Jupiter Orbit Insertion Simulation

WebGLというブラウザ上で3DCGを扱う技術を使っていますが、比較的最近のブラウザであればプラグインの導入などなしでそのまま動くはず（Chorome, Firefox推奨）。スマートフォンやタブレットでも動きます。マウスでの視点変更、スクロールホイールで拡大縮小ができます。左上の歯車アイコンの中に、時刻系の設定（後述）、各種の表示のON/OFFなどの設定項目が入っています。

当日はNASAなどでも中継が行われる予定です（後述しますが木星との時差に注意）。

NASA Updates Coverage for Juno Mission Arrival at Jupiter
http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6548

さて、せっかくなので、Junoのミッションと軌道投入のプロセスについて、まとめておきましょう。

§ Junoについて

Junoは2011年8月5日にNASAが打上げた木星探査機です。2013年の地球スイングバイを経て、約5年かけて木星に到達しました。Junoの主目的は木星の磁場と放射線帯の探査です。木星は太陽系で最も強い磁場と放射線帯を持っていますが、Junoはその内側まで侵入して探査を行います。Junoは木星表面（1気圧面）から数千キロまで接近します。かつてここまで木星に接近した探査機はありません。Junoは広報用の可視光カメラも積んでいますから、きっと驚くような映像を送ってくれるはずです。

外観上の特徴はその大きな太陽電池パネル。画面ではサイズが良く分かりませんが、機体の幅は約20mあります。探査機が太陽電池を持っているのは当たり前と思う向きもあるかもしれませんが、さにあらず。木星は太陽から遠く、太陽の光が非常に弱いんです。これまで木星に到達した衛星はすべて核物質の崩壊熱で電力を発生する原子力電池（原子炉ではありません）を搭載していました。太陽電池だけで木星まで到達したのはJunoが初めてです。

ちなみに、1枚の太陽電池の先についているのは、栓抜き....ではなく磁力計です。搭載機器などの影響をなるべく少なくするために、本体から一番遠い場所につけてあるんです。

シミュレーションの画面を見ると分かりますが、Junoは常にゆっくりと回転しています。これはスピン安定とよばれる姿勢安定方式。機体を回転させることで機体を安定させています。内部にリアクション・ホイールと呼ばれるジャイロを持たせて姿勢を制御する「3軸制御方式」に比べて機構がシンプルなのが特徴ですが、逆に細かな姿勢制御は苦手です。Junoの姿勢制御はすべてリアクション・コントロール・システム（RCS）と呼ばれる小さなジェットを吹かすことで行われます。

§ 木星との時差

木星は現在、地球から8.7億キロの彼方にあります。光の速度を使っても約48分かかります。つまり、我々が地球でJunoに起きていることを知ることができるのは、実際にことが起こった48分後ということになります。この、地球でJunoで起きていることを知ることができる時刻のことを ERT: Earth Receive Time（地球受信時間、地球時間）といいます。そして、探査機上で実際にコトが起きた時間をSCT: Spacecraft Time（探査機時間）といいます。遠方での探査機のイベントはこの2つの時間のどちらで表現されているかに注意が必要です。

上記のシミュレータは、デフォルトの状態では実時間で動いています。いま、この瞬間にJunoで起きていること、つまり探査機時間（SCT）です。一方、事前の情報などを見るとNASAの中継などは地球受信時間(ERT)で行われるようです（スケジュールがすべてERTで書いてあります）。そうしないと管制室での様子と、探査機のシミュレーションが合わなくなりますからね。

これだと中継を見ながら参照するのに困るので、上記シミュレータではERTで動くモードを付けてあります。左上の歯車のアイコンをクリックすると出てくる設定画面に”Earth Receive Time mode”とあるチェックマークを入れると、48分前の状態を表示します。また、同設定画面の時計アイコンをクリックするとSCTとERTの両方の時間で軌道投入のシーケンスが入れてあります（ただの表です）。メイン画面の右下の時間と距離の表示にも、ERTとSCTが併記してあるので参考にしてください。

§ 軌道投入のシーケンス

Junoの軌道投入当日のシーケンスは、投入の約2時間前から始まります。軌道投入に必要なプログラムはすでに探査機にアップロードされ、当日はほぼすべてがオートで行われます。なにしろ片道48分、往復で1時間半以上かかりますから、地球からのコントロールは間に合わないんです。

シミュレータでは以下のシーケンスのうち外から変化がわかるもの、姿勢の変更、回転数の変更、スラスタの噴射などについては再現しています（一部、姿勢やタイミングでNASAの資料などに記載がなく、予測に頼った箇所があります）。

軌道投入125分前（09:25 JST, 00：25 SCT, 01:13 ERT） :

Junoは軌道投入に際して、姿勢変更を行うため、一時的に地球との通信状態が悪くなります。それに先んじて、このタイミングで機体中央の転送量が大きく、指向性の高い高利得アンテナから、転送量が小さい代わりに指向性の低い中利得アンテナへの切り替えが行われます。また、ここから、機体の状態を表す"Tone（トーン）"が発信され始めます。これは探査機の状態を256種類の”音”で表現するもので、どんなに通信状態が悪くなっても探査機の状態を把握できるようにするものです。

軌道投入122分前（09:28 JST, 00:28 SCT, 01:16 ERT） :

ここまではJunoは太陽電池パネルを太陽に向けた姿勢を取っています。このタイミングで、Junoは軌道投入噴射に向けて機体の姿勢を変え始めます。最初はごくゆっくり、太陽から約15度離れる姿勢まで動かします。

軌道投入50分前（10:40 JST, 01:40 SCT, 02:28 ERT） :

ここから、姿勢変更の第2段階。15分ほどで軌道投入姿勢まで一気に姿勢を変更します。

軌道投入37分前（10:53 JST, 01:53 SCT, 02:41 ERT） :

ここから通信を中利得アンテナから、さらに指向性の低い低利得アンテナに切り替えます。

軌道投入33分前（10:57 JST, 01:57 SCT, 02:45 ERT） :

軌道修正で生じた振動を止める"nutation dumping"と呼ばれる操作を行います。

軌道投入28分前（11:02 JST, 02:02 SCT, 02:50 ERT） :

軌道投入噴射に向けて、姿勢の最後の調整が行われます。

軌道投入22分前（11:08 JST, 02:08 SCT, 02:56 ERT） :

この時点まで、Junoは2RPM、1分間に2回転する速度で回転しています。このタイミングで、軌道投入噴射時の姿勢の安定性を上げるために、約5分間かけて回転数を5RPMまで上げます。

軌道投入噴射開始（11:30 JST, 02:30 SCT, 03:18 ERT） :

軌道投入噴射の開始。一連のイベントはここが起点になっています。噴射は35分間続き、その間にJunoは480m/s減速します。木星の軌道に入るためには最低でも20分間は噴射が継続しなければなりません。何らかの原因でその前にエンジンが止まると、Junoは再び惑星間軌道へ飛んでいってしまいます。

軌道投入噴射から35分（12:05 JST, 03:05 SCT, 03:53 ERT） :

軌道投入噴射が終わる時刻です。

軌道投入噴射から37分（12:07 JST, 03:07 SCT, 03:55 ERT） :

5RPMで回転していた機体を、5分かけてふたたび2RPMまで下げます。

軌道投入噴射から49分（12:19 JST, 03:19 SCT, 04:07 ERT） :

約15分かけて姿勢を再び太陽に向けます。

軌道投入噴射から53分（12:23 JST, 03:23 SCT, 04:11 ERT） :

中利得アンテナに切り替えます。"Tone"が止められます。

軌道投入噴射から58分（12:28 JST, 03:28 SCT, 04:16 ERT） :

Junoは地上にテレメトリを送り始めます。おそらく地上でJunoの位置を正確に捉え、受信を始めるにはさらに20分ほどかかると予想されています。

§ 軌道投入後

この軌道投入噴射で、Junoは53.5日で木星の軌道を回る”Capture Orbit”と呼ばれる軌道に乗ります。この軌道を約2周した後、つまり軌道投入から107日後の2016年10月19日（日本時間翌20日）に軌道周期を下げるマニューバが行われます。これにより周期が14日の"Science Orbit"に入り本格的な科学観測が始まります。

Image: NASA/JPL

§ ミッションの終了

探査機の状態によっては延長の可能性もありますが、現時点での予定では、Junoはこの"Science Orbit"を約33周した後、木星の大気内に落下させることになっています。これは、木星の周囲の衛星に生命の存在の可能性が指摘されているため、万が一探査機が落下して汚染してしまうのを防ぐためです。

§ Referance

• Jupiter Orbit Insertion Press Kit
• Spaceflight 101: Juno Mission & Trajectory Design – Juno